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项目式学习模式的生物信息学专业课程教学

2024-08-14 62 上传者：管理员

摘要：针对生物信息学各相关基础学科专业课教学没有具体的生物信息学实例的问题，分析专业课程中项目式学习的融入方式以及项目式学习应用过程中存在的问题和解决方案，提出基于项目式学习模式的生物信息学专业课程教学改革，并以高级程序设计语言课程为例，从课题项目设计与专业课程内容的融合、课题项目管理、专业课程考核等方面进行具体阐述。

关键词：
生命科学
生物信息学专业
计算机
项目式学习
高级程序设计语言
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生物信息学是一个跨领域的学科，要利用生命科学、物理、化学、统计、计算科学、数据科学等基础学科知识，从生物数据中挖掘生命的奥秘。其中，计算机科学中的程序设计语言、数据结构、算法等课程为生物学数据的收集、筛选、处理、挖掘等研究提供了有效的工具，是生物信息学的专业课程。

在生物信息学专业的教学当中，各个领域的专业课教学都相互独立，并未以生物学中的具体计算问题为例进行多领域知识汇聚。例如，生物信息学专业开设了C语言程序设计、高级程序设计语言、算法、数据结构，但课程教师在教学中几乎从未将计算机理论与要解决的实际生物问题联系起来，因此，经过本科4年的培养，该专业的学生虽然全面地学习了多个学科的基础知识，但是对生物信息学的经典问题、研究热点问题了解甚少，也缺乏用计算机科学解决实际的生物信息学问题的实战经验。

针对生物信息学专业，如何在专业课教学中，提高学生学以致用的能力，积累用计算机解决实际的生物信息学问题的实战经验，培养学生对本专业的热爱和兴趣，是提高生物信息学专业人才培养质量的关键环节之一。

1、项目式学习模式

项目式学习把学习置于真实的、有意义的问题情境中，通过让学生自主探究与协作交流，在解决问题的过程中学习问题背后的知识，形成问题解决的技能，并发展综合能力[1]。作为当前全球教育创新的一个热点话题，项目式学习已经被美国、英国、芬兰、意大利、澳大利亚等许多国家的学校广泛采用[2-5]。在美国有一批新型学校一直在实行项目式学习的教学模式，高科技学校是其中的代表。在中国，项目式学习在英语教学的实践探索中取得了不错的效果，带来了对未来教育变革的思考[6-7]。2019年，《国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》提出，要注重项目设计等跨学科综合性教学；同年，中共中央、国务院印发《关于深化教育教学改革全面提升义务教育质量的意见》，提出开展项目化学习。2020年末，上海市教委宣布正式启动“义务教育项目化学习三年行动计划”。

项目式学习模式突破了传统的老师讲学生听的教学模式，为育人方式和课程教学变革提供了一种新的教育理念。在整个项目研究过程中，教师和学生各自扮演不同的角色，教师作为引导者辅助学生完成项目，而学生则是项目研究的主导者。在项目式学习中，学生的学习目标包括基于学习标准的内容以及批判性思维、解决问题、沟通、自我管理、项目管理、协作等技能。项目式学习模式也为交叉学科提供了一种灵活的多学科融合与应用的教育模式，可以提高学生专业课程的学习能力和应用能力，培养学生后续职业发展的专业能力。

2、基于项目式学习模式的高级程序设计语言课程教学改革和实施

为了提高生物信息学专业学生对专业课程的学习能力、应用能力以及后续职业发展的专业能力，采用项目式学习模式重构专业课程教学过程，以高级程序设计语言课程为例（如图1所示）具体实施方案如下。

图1 总体实施方案

2.1 基于项目式学习模式的生物信息学课题项目设计与专业课的融合

针对高级程序设计语言课程知识内容和学习目标，分析生物信息学经典问题及热点问题中与数据处理和分析相关的内容，精心设计课题项目，建立课题项目与专业课程知识的契合点。

对于高级程序设计语言课程而言，面向对象程序设计、Window应用程序设计、ADO.NET数据库访问技术、Web应用程序设计是课程教学的重点内容，希望达成的学习目标包括掌握面向对象的数据建模思想，掌握Windows应用程序的开发，掌握C#数据库编程技术，掌握Web应用程序开发。目前生物信息学的经典问题、热点问题虽然多，但是可以大致分为多组学数据分析与处理、生物分子结构功能预测、生物分子网络构建与分析、组学数据与疾病表型的关联分析、医疗大数据的文本挖掘与人工智能诊断等方面。

根据当前授课对象的真实水平，针对课程的内容和目标，从生物信息学的经典问题和热点问题中精心设计包含生物数据收集、预处理、基础分析、数据库构建、应用程序开发多个环节的课题项目，使之贯穿整个课程的学习。例如，针对蛋白质组学、转录组学、甲基化组学、基因组学等不同组学数据，如何利用面向对象思想对组学数据进行建模，针对特定组学数据的特点开发预处理方法，开发面向特定组学基础分析的应用程序，构建数据库对特定组学数据进行存储，开发Web应用程序提供特定组学数据处理分析后的访问服务。本课程课题项目的融合点和切入点从基于高级程序设计语言的数据的建模、预处理、存储、访问触发，完成从基本概念、原理、技术和算法上的项目式学习模式的引入，从而构建“以用促学、科研问题渗透”的一体化育人改革体系，完成课题项目的系统化设计，达成与专业课程学习目标的有机统一。

2.2 基于项目式学习模式的生物信息学课题项目管理

为确保项目式学习模式的有效进行，从课题项目的时间节点设置、课题项目推进管理、课题项目的展示文化等方面出发，开发课题项目的有效管理模式。

(1）针对课题项目的公布时间节点、检查点的合理设置以及课题项目的组织模式进行研究。为了给学生足够的时间并培养学生统筹全局的意识，在高级程序设计语言课程的第一节课，公布并介绍课题项目各个环节任务，组织学生自由组合并自由选择课题项目；接着介绍各个关键教学内容与课题项目的关系，组织学生制订任务和时间表，设置检查点和截止日期；然后组织学生创建并维护课题项目日志，记录每次课题项目的讨论及进展。

(2）针对课题项目推进过程中学生遇到的共有困难，例如如何查阅文献、如何选择文献、如何获取数据、如何确定最终的应用程序功能，收集其他生物信息学案例进行讲解，或组织学生听取生物信息学专家的报告，对学生进行引导，充分发掘并调动学生的潜力。

(3）营造一种“问题—协作—解决—展示”的文化氛围，促进学生的协作交流，培养学生的展示能力和表达能力。

2.3 基于项目式学习模式的生物信息学专业课程学习考核

基于项目式学习模式的高级程序设计语言课程学习，将课题项目与课程考试融合，作为课程学习的考核方法。

(1）课题项目的考核主要评估学生的学习，考核学生综合运用知识和技能解决实际问题的能力。实施过程中，采用“学生自评，课题项目组之间互评，教师通评”方式，对课题项目进行考核。这种方式可以鼓励学生对自己的学习成果、自学能力、管理能力、合作精神等进行客观地自我评价，总结自己的体验；还可以促进对教学目标、学习过程和学习成果的反思。

(2）课程考试主要用来考查学生的理论知识掌握情况，还可以用来检验基于项目式学习模式的高级程序设计语言课程教学改革的效果。在实施过程中，将课题项目70%和课程考试30%的融合方式作为高级程序设计语言课程学习的考核方式。

(3）分析课题项目成绩与课程考试成绩之间的相关性，充分评估基于项目式学习模式的高级程序设计语言课程教学改革的效果，促进对教学目标、学习过程和学习成果的反思。

该项目的实施将项目式学习的关键环节契合到专业知识传授的全过程，形成“以用促学+科研问题渗透”的生物信息学新教学模式，为基于项目式学习模式的交叉学科专业课程教学提供重要的参考，提高创新专业人才的培养质量。

3、教学实施效果

该项目分别在中南大学2019级和2021级生物信息学专业班级进行了实施。该项目的实施有效培养了生物信息学专业学生在研究生面试过程中所需的科研素养，以及找工作过程中所需的展示能力和表达能力。2019级生物信息学专业班级一共20人，保研人数3人，考研人数14人，考公务员人数2人，找工作1人。最终，通过研究生考试和复试的学生人数为11人，截至2023年6月，全班整体就业率为90%。

2021级生物信息学专业班级学生课题项目成绩与课程考试成绩之间呈现非常强的正相关。对比未实施该项目的2020级生物信息学专业班级，在难度类似的课程考试中，90分以上区段人数提高了15%,80—90分区段人数提高了20%。

4、结语

结合专业特点，从生物信息学经典问题、研究热点问题出发，精心设计课题项目，实施项目式学习模式的生物信息学专业课程教学，培养学生学习兴趣和社会责任感，提高了学生学以致用的能力，培养了专业人才的主动创造能力和主动学习能力，并为其他专业课程的改革提供了一定的参考价值。

参考文献:

[6]霍玉秀.基于“项目式学习”模式与学生综合能力的培养[J].语文学刊(外语教育与教学), 2013(11):96-97, 105.

[7]杨莉萍,韩光.基于项目式学习模式的大学英语学术写作教学实证研究[J].外语界, 2012(5):8-16.

基金资助:国家自然科学基金项目(61702555); 湖南省自然科学基金面上项目(2022JJ30694);

文章来源:彭小清,郭菲,陈超,等.项目式学习模式的生物信息学专业课程教学[J].计算机教育,2024,(08):142-145.

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期刊名称：课程教学研究

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出版地方：广东

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国际刊号：2095-2791

国内刊号：44-1690/G4

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创刊时间：2012年

发行周期：月刊

期刊开本：16开

见刊时间：4-6个月

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